CN104865174A - 一种pm2.5的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PM2.5的检测装置，包括检测部分和控制部分：检测部分包括扬尘筒，扬尘筒与进风口连通，扬尘筒上端设置有过滤装置，扬尘筒下端设置有检测箱，检测箱内设置有激光束传感器和光电转换管，激光束传感器和信号传输装置分别与光电转换管连接；控制部分包括控制面板，控制面板上设置有检测所需功能按钮。本发明还公开了利用上述装置、运用斯托克斯定律进行PM2.5检测的方法。本发明通过过滤装置，筛选出了所需检测的颗粒；通过设置扬尘筒，提高了激光检测的准确性；运用斯托克斯定律，获取PM2.5浓度的信息，具有检测灵敏度高，性能稳定的特点。

Description

一种PM2.5的检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，涉及一种PM2.5的检测装置，本发明还涉及一种PM2.5的检测方法。

背景技术

改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，人们对于环境的问题越来越关注。大气污染问题一直以来都是社会关注的焦点，而近年来PM2.5浓度高低是评价大气污染程度的关键性指标之一。PM2.5是指大气中空气动力学粒径小于2.5微米的气溶胶粒子，PM2.5虽然粒径很小，但是含有大量的有害、有毒物质，这对人们的身体健康和环境质量造成很大的影响。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》中新增加了PM2.5浓度限值。2013年韦斯特和他的同事们在《环境研究通讯》(Environmental Research Letters)发表了他们的研究论文，研究指出全世界每年因室外的有毒空气污染物细颗粒而死亡的人数达210万。2015年2月底，央视辞职记者柴静的报道《穹顶之下》更是深刻揭示了雾霾对人类生活的危害。由此可见，改善空气质量，快速、灵敏、准确的PM2.5浓度检测方法和监测装置就显得尤为重要。

目前，国内外测定PM2.5的浓度都需要分两步走，即把PM2.5与较大的颗粒物分离；然后测定分离出来的PM2.5的重量。具体来说，PM2.5的检测方法主要由称重法、微振动天平法和β射线吸收法。称重法测量过程繁琐费时，不容易实现自动检测，测量灵敏度低，对检测人员专业知识要求高。微振动天平法和β射线吸收法可以实现自动测量，但是不能进行实时检测，仪器价格昂贵，体积比较大。β射线吸收法测量值往往高出微振动天平法的测量值，而且随着颗粒物浓度高低、成分以及环境湿度变化有较大差异，准确性不高。

由此可见，现有的PM2.5检测方法和监测装置普遍具有体积大、价格高、检测灵敏度低等缺点。为此，寻找一种简便、快捷、灵敏度适中的PM2.5检测装置具有很强的实用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种PM2.5的检测装置，解决了现有PM2.5检测装置体积大、检测方法复杂、检测灵敏度低的问题。

本发明的另一目的是提供采用上述PM2.5的检测装置进行PM2.5检测的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种PM2.5的检测装置，包括壳体，壳体顶部设置有进风口，壳体内设置有检测部分，壳体外壁上设置有控制部分；

检测部分包括扬尘筒，扬尘筒与进风口连通，扬尘筒内设置有扬尘装置，扬尘筒上端设置有过滤装置，扬尘筒下端设置有检测箱，扬尘筒与检测箱之间设置有控制阀，检测箱内设置有激光束传感器和光电转换管，壳体内还设置有信号传输装置，激光束传感器和信号传输装置分别与光电转换管连接，信号传输装置与计算机或其他记录设备相连接；

控制部分包括控制面板，控制面板上设置有激光按钮、观察按钮、压气按钮、计数按钮、打印按钮，控制面板与电源开关连接，激光按钮与激光束传感器连接，压气按钮分别与扬尘装置和计数按钮连接。

本发明的特点还在于，

其中壳体内还设置有机械手，机械手与控制阀连接。

其中壳体上设置有活动观察窗，观察按钮控制活动观察窗开闭。

其中过滤装置为聚四氟乙烯或者石英过滤膜。

其中信号传输装置的型号为YT-301。

其中激光束传感器与扬尘筒垂直设置。

其中扬尘装置为风扇或压缩机。

本发明所采用的技术方案是，一种PM2.5的检测方法，检测中所采用的PM2.5的检测装置，包括壳体，壳体顶部设置有进风口，壳体内设置有检测部分，壳体外壁上设置有控制部分；

检测部分包括扬尘筒，扬尘筒与进风口连通，扬尘筒内设置有扬尘装置，扬尘筒上端设置有过滤装置，扬尘筒下端设置有检测箱，扬尘筒与检测箱之间设置有控制阀，检测箱内设置有激光束传感器和光电转换管，壳体内还设置有信号传输装置，激光束传感器和信号传输装置分别与光电转换管连接，信号传输装置与计算机或其他记录设备相连接；

控制部分包括控制面板，控制面板上设置有激光按钮、观察按钮、压气按钮、计数按钮、打印按钮，控制面板与电源开关连接，激光按钮与激光束传感器连接，压气按钮分别与扬尘装置和计数按钮连接；

壳体内还设置有机械手，机械手与控制阀连接；壳体上设置有活动观察窗，观察按钮控制活动观察窗开闭；过滤装置为聚四氟乙烯或者石英过滤膜；信号传输装置的型号为YT-301；激光束传感器与扬尘筒垂直设置；扬尘装置为风扇或压缩机；

具体按以下步骤实施：

步骤1，气体采集：

待测空气通过进风口，经过滤装置过滤滤除大于1mm的颗粒，分离出用于检测的PM2.5颗粒，PM2.5颗粒进入扬尘筒；

步骤2，扬尘：

开启检测装置电源开关，打开计算机系统，分别按下激光按钮和观察按钮，使激光束传感器运行发出激光束，同时观测激光束传感器是否运行正常；按下压气按钮，启动扬尘装置，使扬尘筒中的颗粒充分飘起；

步骤3，检测：

按下计数按钮，与计数按钮联动的压气按钮自动关闭，同时机械手打开扬尘筒与检测箱之间设置的控制阀，扬尘筒内的颗粒在重力作用下依次穿过检测箱中的激光束，光电转换管将光信号转换成电信号，同时通过信号输出装置把电信号输出到计算机或者其他记录设备；

步骤5，将传输到计算机的信号进行处理，运用斯托克斯沉降定律，获得PM2.5浓度。

本发明的特点还在于，

其中步骤5具体为：

通过Stokes(斯托克斯)沉降定律计算得到PM2.5密度ρ₁：

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2+\frac{\mathrm{gt}{D}^2}{18\mathrm{\ηh}},$

式中：h为粉尘的沉降高度cm；t为粉尘沉降时间s；ρ₁为粉尘的密度g/cm³；ρ₂为空气介质密度g/cm³；η为测试环境温度下空气粘度pa·s；g为重力加速度980cm/s²；D为粉尘颗粒大小2.5μm；

电信号在计算机中形成不同粒度粒子的粒度分布曲线，利用得到的PM2.5密度ρ₁对粒度分布曲线进行积分计算，得到粒径是2.5微米的颗粒质量百分数X：

进而得到PM2.5颗粒数N，即PM2.5浓度：

$N=\frac{6{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{VX}}{\mathrm{\π}{D}^3{\mathrm{\ρ}}_1}.$

本发明的有益效果是，本发明通过过滤装置，筛选出了所需检测的颗粒；通过设置扬尘筒，使进入检测箱的颗粒混合均匀，同时检测时进行扬尘处理，使颗粒更为分散，提高了激光检测的准确性；运用斯托克斯定律对检测到的信号进行处理，得到了不同粒径粉尘的大小和数量，从而获取PM2.5浓度的信息，具有检测灵敏度高，性能稳定的特点。

附图说明

图1是本发明一种PM2.5的检测装置的结构示意图；

图2是本发明一种PM2.5的检测方法的原理图；

图3是本发明检测过程中电信号传入计算机后形成的粒度分布曲线。

图中，1.壳体，2.进风口，3.过滤装置，4.电源开关，5.控制面板，6.激光按钮，7.观察按钮，8.压气按钮，9.计数按钮，10.打印按钮，11.信号输出端，12.扬尘筒，13.检测箱，14.控制阀，15.激光束传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种PM2.5的检测方法所采用的检测装置其结构如图1所示，包括壳体1，壳体1顶部设置有进风口2，壳体1内设置有检测部分，壳体1外壁上设置有控制部分；

检测部分包括扬尘筒12，扬尘筒12与进风口2连通，扬尘筒12内设置有扬尘装置，扬尘筒12上端设置有过滤装置3，如图2所示，扬尘筒12下端设置有检测箱13，扬尘筒12与检测箱13之间设置有控制阀14，检测箱13内设置有激光束传感器15和光电转换管，壳体1内还设置有信号传输装置11，激光束传感器和信号传输装置11分别与光电转换管连接，信号传输装置11与计算机或其他记录设备相连接。

控制部分包括控制面板5，控制面板5上设置有激光按钮6、观察按钮7、压气按钮8、计数按钮9、打印按钮10，控制面板5与电源开关4连接，激光按钮6与激光束传感器15连接，压气按钮8分别与扬尘装置和计数按钮9连接。

其中壳体1内还设置有机械手，机械手与控制阀14连接；过滤装置3为聚四氟乙烯或者石英过滤膜；激光束传感器15与扬尘筒12垂直设置；信号传输装置11的型号为YT-301；扬尘装置为风扇或压缩机。

一种PM2.5的检测方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，气体采集：

待测空气经通过进风口2，经过滤装置3过滤滤除大于1mm的颗粒，分离出用于检测的PM2.5颗粒，PM2.5颗粒进入扬尘筒12。

将监测装置置于采集点，采集空气时，进风口2应保持离地面高度大于1m，且采集点周围30cm之内没有障碍物影响空气流通，以减少空气中影响检测的物质吸入，保障检测的质量和精度。

步骤2，扬尘：

开启检测装置电源开关4，打开计算机系统，分别按下激光按钮6和观察按钮7，使激光束传感器运行发出激光束，同时观测激光束传感器是否运行正常；按下压气按钮8，启动扬尘装置，使扬尘筒12中的颗粒充分飘起。

步骤3，检测：

按下计数按钮9，与计数按钮9联动的压气按钮8自动关闭，同时机械手打开扬尘筒12与检测箱13之间设置有控制阀，扬尘筒12内的颗粒在重力作用下依次穿过检测箱13中的激光束，光电转换管将光信号转换成电信号，同时通过信号输出装置11把电信号输出到计算机或者其他记录设备。

步骤4，将传输到计算机的信进行处理，获得PM2.5浓度：

扬尘筒12的容积V一定，因此PM2.5沉降高度h、沉降时间t也都是一定的，根据Stokes(斯托克斯)沉降定律：

$D={[\frac{18\mathrm{\η}}{({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)g}\×\frac{h}{t}]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中：h为粉尘的沉降高度cm(取扬尘筒高度的一半)；t为粉尘沉降时间s；ρ₁为粉尘的密度g/cm³；ρ₂为空气介质密度g/cm³；η为测试环境温度下空气粘度pa·s，具体数值见表1；g为重力加速度980cm/s²；D为粉尘颗粒大小2.5μm。

表1标准大气压下空气的物理性质

得到PM2.5密度ρ₁为：

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2+\frac{\mathrm{gt}{D}^2}{18\mathrm{\ηh}}---\left(2\right)$

当扬尘筒中飘起的颗粒在重力作用下穿过检测箱中的激光束时，激光照射到下落的粒子时，激光束会被下落的粒子遮挡，同时通过光电转换器将接受到的光能量转化为电信号，由于挡光多少与颗粒的尺寸有关，电信号在计算机中形成不同粒度粒子的粒度分布曲线，如图3所示，利用得到的PM2.5密度ρ₁对粒度分布曲线进行积分计算，可得到粒径是2.5微米的颗粒质量百分数X，由于颗粒是球形的，据此就可计算得到一定体积范围内PM2.5颗粒数。

PM2.5颗粒数N可由下式计算得到：

$N=\frac{6{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{VX}}{\mathrm{\π}{D}^3{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(3\right)$

式中：X为粒径是2.5μm的颗粒质量百分数。

步骤5，计算机显示检测结果，按下打印按钮10，打印相关数据。

本发明通过过滤装置，筛选出了所需检测的颗粒；通过设置扬尘筒，使进入检测箱的颗粒混合均匀，同时检测时进行扬尘处理，使颗粒更为分散，提高了激光检测的准确性；运用斯托克斯定律对检测到的信号进行处理，得到了不同粒径粉尘的大小和数量，从而获取PM2.5浓度的信息，具有检测灵敏度高，性能稳定的特点。

Claims (9)

1.一种PM2.5的检测装置，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)顶部设置有进风口(2)，壳体(1)内设置有检测部分，壳体(1)外壁上设置有控制部分；

所述检测部分包括扬尘筒(12)，扬尘筒(12)与进风口(2)连通，扬尘筒(12)内设置有扬尘装置，扬尘筒(12)上端设置有过滤装置(3)，扬尘筒(12)下端设置有检测箱(13)，扬尘筒(12)与检测箱(13)之间设置有控制阀(14)，检测箱(13)内设置有激光束传感器(15)和光电转换管，壳体(1)内还设置有信号传输装置(11)，激光束传感器(15)和信号传输装置(11)分别与光电转换管连接，信号传输装置(11)与计算机或其他记录设备相连接；

所述控制部分包括控制面板(5)，控制面板(5)上设置有激光按钮(6)、观察按钮(7)、压气按钮(8)、计数按钮(9)、打印按钮(10)，控制面板(5)与电源开关(4)连接，激光按钮(6)与激光束传感器(15)连接，压气按钮(8)分别与扬尘装置和计数按钮(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述壳体(1)内还设置有机械手，机械手与控制阀(14)连接。

3.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述壳体(1)上设置有活动观察窗，观察按钮(7)控制活动观察窗开闭。

4.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述过滤装置(3)为聚四氟乙烯或者石英过滤膜。

5.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述信号传输装置(11)的型号为YT-301。

6.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述激光束传感器(15)与扬尘筒(12)垂直设置。

7.根据权利要求1所述的一种PM2.5的检测装置，其特征在于，所述扬尘装置为风扇或压缩机。

8.一种PM2.5的检测方法，其特征在于，检测中所采用的PM2.5的检测装置，包括壳体(1)，所述壳体(1)顶部设置有进风口(2)，壳体(1)内设置有检测部分，壳体(1)外壁上设置有控制部分；

所述检测部分包括扬尘筒(12)，扬尘筒(12)与进风口(2)连通，扬尘筒(12)内设置有扬尘装置，扬尘筒(12)上端设置有过滤装置(3)，扬尘筒(12)下端设置有检测箱(13)，扬尘筒(12)与检测箱(13)之间设置有控制阀(14)，检测箱(13)内设置有激光束传感器(15)和光电转换管，壳体(1)内还设置有信号传输装置(11)，激光束传感器(15)和信号传输装置(11)分别与光电转换管连接，信号传输装置(11)与计算机或其他记录设备相连接；

所述控制部分包括控制面板(5)，控制面板(5)上设置有激光按钮(6)、观察按钮(7)、压气按钮(8)、计数按钮(9)、打印按钮(10)，控制面板(5)与电源开关(4)连接，激光按钮(6)与激光束传感器(15)连接，压气按钮(8)分别与扬尘装置和计数按钮(9)连接；

所述壳体(1)内还设置有机械手，机械手与控制阀(14)连接；

所述壳体(1)上设置有活动观察窗，观察按钮(7)控制活动观察窗开闭；

所述过滤装置(3)为聚四氟乙烯或者石英过滤膜；

所述信号传输装置(11)的型号为YT-301；

所述激光束传感器(15)与扬尘筒(12)垂直设置；

所述扬尘装置为风扇或压缩机；

具体按以下步骤实施：

步骤1，气体采集：

待测空气通过进风口(2)，经过滤装置(3)过滤滤除大于1mm的颗粒，分离出用于检测的PM2.5颗粒，PM2.5颗粒进入扬尘筒(12)；

步骤2，扬尘：

开启检测装置电源开关(4)，打开计算机系统，分别按下激光按钮(6)和观察按钮(7)，使激光束传感器运行发出激光束，同时观测激光束传感器是否运行正常；按下压气按钮(8)，启动扬尘装置，使扬尘筒(12)中的颗粒充分飘起；

步骤3，检测：

按下计数按钮(9)，与计数按钮(9)联动的压气按钮(8)自动关闭，同时机械手打开扬尘筒(12)与检测箱(13)之间设置的控制阀，扬尘筒(12)内的颗粒在重力作用下依次穿过检测箱(13)中的激光束，光电转换管将光信号转换成电信号，同时通过信号输出装置(11)把电信号输出到计算机或者其他记录设备；

步骤4，将传输到计算机的信号进行处理，运用斯托克斯沉降定律，获得PM2.5浓度。

9.根据权利要求8所述的一种PM2.5的检测方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

通过Stokes沉降定律计算得到PM2.5密度ρ₁：

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2+\frac{\mathrm{gt}{D}^2}{18\mathrm{\ηh}},$

式中：h为粉尘的沉降高度cm；t为粉尘沉降时间s；ρ₁为粉尘的密度g/cm³；ρ₂为空气介质密度g/cm³；η为测试环境温度下空气粘度pa·s；g为重力加速度980cm/s²；D为粉尘颗粒大小2.5μm；

电信号在计算机中形成不同粒度粒子的粒度分布曲线，利用得到的PM2.5密度ρ₁对粒度分布曲线进行积分计算，得到粒径是2.5微米的颗粒质量百分数X：

进而得到PM2.5颗粒数N，即PM2.5浓度：

$N=\frac{6{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{VX}}{\mathrm{\π}{D}^3{\mathrm{\ρ}}_1}.$